JP6432778B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、固定子と回転子を含む回転電機に関する。

回転機の小型高出力化、すなわち限られた大きさの固定子（ステータ）や回転子（ロータ）で大きな電磁力を得ることは普遍の課題であり、様々な取り組みがある。例えば、形状的な小型化では、コイルエンドのコンパクト化のための小型コイルエンドの技術がある。また、高性能材料や、その活用としては埋め込み磁石形のモータＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）の技術がある。これらの技術は出尽くし飽和の感があり、将来へは新たな原理での小型高性能化が望まれている。

従来では、出力を向上することを目的とする車両用交流発電機に関する技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。この車両用交流発電機は、本来の３相電機子巻線の他に、電気角π／３ラジアンピッチで補助巻線を巻き込むものであり、補助巻線の一端を３相電機子巻線の中性点に結線して用いる。

特開昭５９−１９８８６１号公報

しかし、特許文献１に記載の補助巻線は、３相電機子巻線とともに固定子鉄心（ステータコア）に巻かれる。ステータコアには補助巻線を巻くスペースが必要になるので、固定子鉄心の体格を大きくせざるを得ず、小型化が困難になる。

発明者は、なるべく現状構成を変えないで新たに電磁力の増強または発生させるための新たな構造を見出した。この構造は、固定子巻線（ステータコイル）周辺の洩れ磁界を利用することを基本原理とする。より具体的には、固定子巻線のコイルエンド部で洩れている磁界エネルギーを出力に還元する構造とする。すなわち、回転電機が発電機の場合は、洩れている磁界で起電力を得て発電出力に加える。回転電機が電動機の場合は、発電起電力による電流によって電磁力を得て出力トルクに加える。

本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、小型化・高性能化を目的とし、新たに電磁力の増強または発生させることができる回転電機を提供することである。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、固定子鉄心（１２ａ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）に多相巻線（１２ｂ）が巻装される固定子（１２）と、前記固定子とギャップ（Ｇｐ，Ｇｉ，Ｇｏ）を介して回転自在に設けられる回転子（１３）とを有する回転電機（１０）において、前記多相巻線のうちで前記固定子鉄心からはみ出すコイルエンド部を囲む外回り磁気回路（ＭＣ）を有し、前記外回り磁気回路に対して、前記多相巻線を通じて前記コイルエンド部に流す電流に由来する系外磁束（φ）を作用させることで、出力を増加し、前記外回り磁気回路と前記固定子鉄心との間に第二の巻線（１６）を配置し、電磁誘導によって前記第二の巻線から電力出力を取り出すことを特徴とする。

この構成によれば、コイルエンド部も起磁力源となるので、構造的に無駄とされてきたコイルエンド部が有効とになる。上述したように、発電機の場合は、コイルエンド部から洩れる磁界で起電力を得て発電出力に加えることができる。電動機の場合は、発電起電力による電流によって電磁力を得て出力トルクに加えることができる。よって、従来と構成を変えることなく、小型化することができる。同じ体格の回転電機であれば、電力出力や動力出力などの出力を高めて高性能化することができる。

この構成によれば、多相巻線以外の第二の巻線からの電力出力を取り出せるので、高出力・高効率となる。

第３の発明は、前記外回り磁気回路と前記固定子鉄心との間には、励磁源が得られる第三の巻線（１８ａ，１８ｂ）を配置し、前記第三の巻線を励磁巻線とすることを特徴とする。

この構成によれば、固定子鉄心以外の空間に第三の巻線を配置するだけでよいので、簡素な構成で励磁源が得られる。

なお、「外側」は径方向における外径側や外周側を意味し、「内側」は径方向における内径側や内周側を意味する。「回転子」は、円形状（円環状や円筒状等を含む）に成形される。「回転電機」は、回転する部材（例えば軸やシャフト等）を有する機器であれば任意である。例えば、発電機，電動機，電動発電機等が該当する。発電機には電動発電機が発電機の場合を含み、電動機には電動発電機が電動機の場合を含む。「多相巻線」は固定子巻線であり、一本状の巻線でもよく、複数の導体線やコイルを電気的に接続して一本状にしたものでもよい。多相巻線の相数は、三相以上であれば問わない。「巻装」は巻いて装うことを意味し、巻き回す意味の「巻回」と同義に用いる。

回転電機にかかる第１構成例の一部を模式的に示す断面図である。 巻線の第１接続例を示す回路図である。 巻線の第２接続例を示す回路図である。 巻線の第３接続例を示す回路図である。 電力出力と回転数の関係例を示すグラフ図である。 回転電機にかかる第２構成例の一部を模式的に示す断面図である。 図６に示すVII−VII線の一部を示す断面図である。 回転電機にかかる第３構成例の一部を模式的に示す断面図である。 図８に示すIX−IX線の一部を示す断面図である。 界磁巻線の接続例を示す回路図である。 回転電機にかかる第４構成例の一部を模式的に示す断面図である。 図１１に示すXII−XII線の一部を示す断面図である。 励磁巻線の接続例を示す回路図である。 回転電機にかかる第５構成例の一部を模式的に示す断面図である。 図１４に示すXV−XV線の一部を示す断面図である。 巻線の第４接続例を示す回路図である。 巻線の第５接続例を示す回路図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。英数字の連続符号は記号「〜」を用いて略記する。例えば、「回転電機１０Ａ〜１０Ｅ」は「回転電機１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ」を意味する。符号の英文字は大文字と小文字とで別の要素を意味する。例えば、図１に示す固定子１２Ａと固定子鉄心１２ａは別の要素である。「グラウンド」は、接地（０[Ｖ]）でもよく、ハウジングやフレーム等の共通電位（０[Ｖ]以外の電位）でもよい。「動力出力」は出力トルクや第二の電磁力に相当する。

〔実施の形態１〕
実施の形態１は図１〜図５を参照しながら説明する。図１に示す回転電機１０Ａは、回転電機１０の一例である。この回転電機１０Ａは、固定子１２Ａ，回転子１３Ａ，軸受１４，回転軸１５，第二の巻線１６などをハウジング１１Ａ（筐体）内に有する。

ハウジング１１Ａは、形状や材料等を任意に設定してよいハウジング１１の一例である。本形態のハウジング１１Ａは、回転子１３Ａ（具体的には回転子鉄心１３ａ）と対面（対向）する凸状部１１ａと、外回り磁気回路ＭＣ１が形成される部位を有する。

固定子１２Ａは、固定子１２の一例である。この固定子１２Ａは、ハウジング１１Ａに固定され、固定子鉄心１２ａ（ステータコア）や多相巻線１２ｂなどを有する。ハウジング１１Ａへの固定方法は問わない。固定子鉄心１２ａは、電磁鋼板を積層させる構成としてもよく、単体の磁性材で構成してもよい。固定子鉄心の構成については、後述する固定子鉄心１２ｂ〜１２ｅも同様である。

多相巻線１２ｂは「固定子巻線（ステータコイル）」に相当し、本形態では三相巻線で構成する（図２〜図４を参照）。破線で図示するように、多相巻線１２ｂのうちで固定子鉄心１２ａからはみ出す部位はコイルエンド部ＣＥである。

回転子１３Ａは、回転軸１５とともに回転する回転子１３の一例である。この回転子１３Ａは、回転子鉄心１３ａ（ロータコア）や回転子巻線１３ｂ（ロータコイル）などを有する。回転子鉄心１３ａは、互い違いに軸方向に曲げられて形成される曲折部を有する。曲折部は「クローポール磁極」に相当し、固定子鉄心１２ａと対面する。図１の例で示す曲折部は、Ｌ字形状に曲げられている。回転子巻線１３ｂは、互い違いに曲げられる曲折部の中央部を通るように巻装される。

上述した固定子１２Ａと回転子１３Ａとの間や、回転子１３Ａとハウジング１１Ａとの間には、それぞれギャップＧｐ（空隙）が設けられる。ギャップＧｐの大きさは、外回り磁気回路ＭＣ１が形成できる範囲において、それぞれ任意に設定してよい。回転軸１５は、軸受１４を介してハウジング１１Ａに回転自在に設けられる。第二の巻線１６は、固定子１２Ａ（特に多相巻線１２ｂ）と回転子１３Ａとの間であって、ハウジング１１Ａに巻装されて固定される。

太線で図示する外回り磁気回路ＭＣ１は、外回り磁気回路ＭＣの一例である。この外回り磁気回路ＭＣ１は、多相巻線１２ｂへの通電によって形成される磁束の流れを示す。図１の例では、ハウジング１１Ａ→固定子１２Ａ→回転子１３Ａ→ハウジング１１Ａ→…のように流れる。外回り磁気回路ＭＣ１にかかる磁束の流れは、回転する回転子１３Ａの位置や多相巻線１２ｂに流れる電流の方向などに応じて変わる。よって、図示する方向（右回り）に限らず、図示とは反対方向（左回り）もある。外回り磁気回路ＭＣ１に関する磁束の流れについては、後述する外回り磁気回路ＭＣ２〜ＭＣ５についても同様である。

回転電機１０Ａが電動機の場合には、多相巻線１２ｂに電流を流す。この電流によって、コイルエンド部ＣＥから系外磁束φが生じる。この系外磁束φは、外回り磁気回路ＭＣ１や第二の巻線１６などに作用する。外回り磁気回路ＭＣ１に作用すると、回路を形成する磁束の磁束量が増えるので、動力出力が増加する。第二の巻線１６に作用すると、起電力を生じる。すなわち、コイルエンド部ＣＥが起磁力源となる。

次に、多相巻線１２ｂ，回転子巻線１３ｂ，第二の巻線１６の接続例を図２〜図４に示す。図２に示す多相巻線１２ｂ（Ｕ相巻線Ｌｕ，Ｖ相巻線Ｌｖ，Ｗ相巻線Ｌｗ）は、それぞれの一端が中性点Ｐｍに接続され、Ｙ結線（スター結線）される。多相巻線１２ｂの他端は、それぞれダイオードブリッジＤＢ２に接続される。第二の巻線１６は、ダイオードブリッジＤＢ１に接続される。具体的には、多相巻線１２ｂの他端と第二の巻線１６の両端は、いずれも直列接続される整流素子の中間点に接続される。回転子巻線１３ｂに相当する界磁巻線Ｌｆは、スイッチング素子Ｑｆが直列接続される。整流素子は、ダイオード，サイリスタ，ＭＯＳＦＥＴ等のような整流器が該当する。

ダイオードブリッジＤＢ１，ＤＢ２は、ブリッジ整流回路の一例である。このダイオードブリッジＤＢ１，ＤＢ２は、それぞれの負側の一端がグラウンドＧＮＤおよび出力端子Ｔｍに接続され、他の正側の一端はまとめて出力端子Ｔｐに接続される。回転電機１０Ａが発電機の場合には、多相巻線１２ｂ，第二の巻線１６のそれぞれで生じる起電力が合わさり、出力端子Ｔｐ１，Ｔｍ１から電力出力Ｐｏ１として出力される。

なお、回転子巻線１３ｂは界磁巻線であり、回転電機１０Ａの回転子１３Ａに巻装されてクローポール磁極として磁化するための巻線である。発電出力の一部を自ら（回転子巻線１３ｂ）に通じるために、正負の出力端子Ｔｐ，Ｔｍに結ばれている。

図３に示す多相巻線１２ｂ（Ｕ相巻線Ｌｕ，Ｖ相巻線Ｌｖ，Ｗ相巻線Ｌｗ）と第二の巻線１６は、それぞれの一端が中性点Ｐｍに接続されて、Ｙ結線される。多相巻線１２ｂと第二の巻線１６の他端は、それぞれブリッジ整流回路の一例であるダイオードブリッジＤＢ３に接続される。具体的には、多相巻線１２ｂおよび第二の巻線１６の各他端は、いずれも直列接続される整流素子の中間点に接続される。回転子巻線１３ｂ（界磁巻線Ｌｆ）は、スイッチング素子Ｑｆが直列接続される。

ダイオードブリッジＤＢ３およびスイッチング素子Ｑｆは、それぞれの一端がグラウンドＧＮＤに接続される。この接続によって、多相巻線１２ｂ，第二の巻線１６は、それぞれに整流素子を介して並列接続になる。回転電機１０Ａが発電機の場合には、多相巻線１２ｂ，第二の巻線１６のそれぞれで生じる起電力が合わさり、出力端子Ｔｐ１，Ｔｍ１から電力出力Ｐｏ１として出力される。

図４に示す多相巻線１２ｂ（Ｕ相巻線Ｌｕ，Ｖ相巻線Ｌｖ，Ｗ相巻線Ｌｗ）は、それぞれの一端が中性点Ｐｍに接続され、Ｙ結線される。多相巻線１２ｂの他端は、それぞれインバータＩＮＶ２に接続される。第二の巻線１６は、インバータＩＮＶ１に接続される。回転子巻線１３ｂ（界磁巻線Ｌｆ）は、スイッチング素子Ｑｆが直列接続される。

インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２およびスイッチング素子Ｑｆは、それぞれの一端がグラウンドＧＮＤに接続される。この接続によって、多相巻線１２ｂ，第二の巻線１６は並列接続になる。回転電機１０Ａが発電機の場合には、多相巻線１２ｂ，回転子巻線１３ｂ，第二の巻線１６のそれぞれで生じる起電力が合わさり、電力出力Ｐｏ１として出力される。

なお図示を省略するが、図２に示すダイオードブリッジＤＢ１，ＤＢ２を図４に示すインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２に変更したと同様に、図３に示すダイオードブリッジＤＢ３をインバータで構成してもよい。この場合でも図３と同様に、多相巻線１２ｂ，第二の巻線１６のそれぞれで生じる起電力が合わさり、出力端子Ｔｐ１，Ｔｍ１から電力出力Ｐｏ１として出力される。

図５には、縦軸を電力出力Ｐｏ（図２〜図４では電力出力Ｐｏ１）とし、横軸を回転数Ｎとするときの特性線Ｓ１，Ｓ２を示す。二点鎖線で示す特性線Ｓ２は、多相巻線１２ｂだけで発電する場合の電力出力Ｐｏを示す。実線で示す特性線Ｓ１は、多相巻線１２ｂとともに第二の巻線１６も発電する場合の電力出力Ｐｏを示す。回転数Ｎ１から最大回転数までは、特性線Ｓ１が特性線Ｓ２よりも電力出力Ｐｏが約１５％以上増加する。

〔実施の形態２〕
実施の形態２は図６，図７を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１と相違する点を説明する。

図６に示す回転電機１０Ｂは、回転電機１０の一例である。図１は回転軸１５を中心として上下方向に対称であるので、図６では回転軸１５よりも下側の図示を省略する。対称性による下側の図示の省略は、後述する図８，図１１，図１４でも同様である。

回転電機１０Ｂは、固定子１２Ｂ，回転子１３Ｂ，軸受１４，回転軸１５などをハウジング１１Ｂ内に有する。ハウジング１１Ｂは、ハウジング１１の一例である。このハウジング１１Ｂの形状や材料等は任意に設定してよい。本形態のハウジング１１Ｂは、固定子１２Ｂを支持して固定するための支持部１１ｂを有する。ハウジング１１Ｂと固定子１２Ｂとの間の固定方法は問わない。

固定子１２Ｂは、固定子１２の一例である。この固定子１２Ｂは、固定子鉄心１２ｃ（ステータコア）や多相巻線１２ｂなどを有する。

回転子１３Ｂは、回転子１３の一例である。この回転子１３Ｂは、アウタヨークコア１３ｃ，橋渡部１３ｄ，インナヨークコア１３ｅ，ディスク部１３ｆなどを有する。これらの要素は、一体成形してもよく、一以上を個別に成形して固定してもよい。

アウタヨークコア１３ｃとインナヨークコア１３ｅは、図示するように橋渡部１３ｄによって結合され、全体として断面が横に倒したＵ字形状（Ｕ字状）になる。橋渡部１３ｄは、系外磁束φが作用するように、固定子１２Ｂのコイルエンド部ＣＥと近接させて配置するとよい。Ｕ字形状のアウタヨークコア１３ｃ，橋渡部１３ｄ，インナヨークコア１３ｅは、ディスク部１３ｆによって回転軸１５に固定される。

上述した固定子１２Ｂと回転子１３Ｂとの間には、外側ギャップＧｏと内側ギャップＧｉとでそれぞれ空隙が設けられる。外側ギャップＧｏと内側ギャップＧｉの大きさは、外回り磁気回路ＭＣ２が形成できる範囲において、それぞれ任意に設定してよい。

太線で図示する外回り磁気回路ＭＣ２は、外回り磁気回路ＭＣの一例である。図６の例では、固定子１２Ｂ→アウタヨークコア１３ｃ→橋渡部１３ｄ→インナヨークコア１３ｅ→固定子１２Ｂ→…のように流れる。

回転電機１０Ｂが電動機の場合には、多相巻線１２ｂに電流を流す。この電流によって、コイルエンド部ＣＥから系外磁束φが生じる。この系外磁束φは、外回り磁気回路ＭＣ２などに作用する。外回り磁気回路ＭＣ２に作用すると、回路を形成する磁束の磁束量が増えるので、動力出力が増加する。すなわち、コイルエンド部ＣＥが起磁力源となる。回転電機１０Ｂが発電機の場合には、多相巻線１２ｂで生じる起電力が電力出力Ｐｏ１として出力される（図５に示す特性線Ｓ２を参照）。

図７には、アウタヨークコア１３ｃ，固定子鉄心１２ｃ，インナヨークコア１３ｅの構成例を示す。なお、固定子１２Ｂを構成する多相巻線１２ｂの図示は省略する。

アウタヨークコア１３ｃ（特に内側）には、径方向に着磁される複数の磁石Ｍ１が設けられる。磁石Ｍ１の数は任意に設定してよく、磁石Ｍ１の固定方法を問わない。固定子鉄心１２ｃは、外側に延びる複数のティース１２ｃ１や、内側に形成される歯車部１２ｃ３などを有する。インナヨークコア１３ｅの外側には、歯車部１２ｃ３と対面する歯車部１３ｅ１を有する。歯車部１２ｃ３，１３ｅ１は、いずれも周方向の面が凹凸状に形成される部位であり、凹凸の高さ，幅，数等は任意に設定してよい。周方向に隣り合うティース１２ｃ１の相互間に形成される空間は、スロット１２ｃ２である。スロット１２ｃ２には、図示を省略した多相巻線１２ｂが収容されて巻装される。アウタヨークコア１３ｃ（特に磁石Ｍ１）から固定子鉄心１２ｃ（特にティース１２ｃ１）に対して第一の電磁回転力ＭＦ１が生じる。また、インナヨークコア１３ｅ（特に歯車部１３ｅ１）から固定子鉄心１２ｃ（特に歯車部１２ｃ３）に対して第二の電磁回転力ＭＦ２が生じる。

アウタヨークコア１３ｃと固定子鉄心１２ｃとの間は、一般的な回転電機と同様に滑らかな回転制御が行える。一方、固定子鉄心１２ｃとインナヨークコア１３ｅとの間は、歯車部１２ｃ３，１３ｅ１によってＶＲ（Variable Reluctance）型ステッピングモータのように回転制御が行える。したがって、回転電機１０Ｂは一般的な磁石モータとＶＲ型ステッピングモータの両方の動力が加わることで、さらに出力を向上できる。

〔実施の形態３〕
実施の形態３は図８〜図１０を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１，２で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１，２と相違する点を説明する。

図８に示す回転電機１０Ｃは、回転電機１０の一例であって、上述した回転電機１０Ｂの変形例である。この回転電機１０Ｃは、固定子１２Ｃ，回転子１３Ｃ，軸受１４，回転軸１５，第四の巻線１７などをハウジング１１Ｂ内に有する。

固定子１２Ｃは、固定子１２の一例である。この固定子１２Ｃは、固定子鉄心１２ｄ（ステータコア）や多相巻線１２ｂなどを有する。

回転子１３Ｃは、回転子１３の一例である。この回転子１３Ｃは、アウタヨークコア１３ｇ，橋渡部１３ｄ，インナヨークコア１３ｈ，ディスク部１３ｆなどを有する。これらの要素は、一体成形してもよく、一以上を個別に成形して固定してもよい。

アウタヨークコア１３ｇとインナヨークコア１３ｈは、図示するように橋渡部１３ｄによって結合され、全体として断面がＵ字形状になる。Ｕ字形状のアウタヨークコア１３ｇ，橋渡部１３ｄ，インナヨークコア１３ｈは、ディスク部１３ｆによって回転軸１５に固定される。アウタヨークコア１３ｇには、複数の磁石Ｍ２が設けられる。

上述した固定子１２Ｃと回転子１３Ｃとの間には、外側ギャップＧｏと内側ギャップＧｉとでそれぞれ空隙が設けられる。外側ギャップＧｏと内側ギャップＧｉの大きさは、外回り磁気回路ＭＣ３が形成できる範囲において、それぞれ任意に設定してよい。

第四の巻線１７は、固定子１２Ｃ（特に多相巻線１２ｂ）と回転子１３Ｃとの間であって、回転子１３Ｃに巻装されて固定される。第四の巻線１７は、系外磁束φの作用を受け易い位置に配置するのが望ましく、特にＵ字形状の底面部位１３ｉ（橋渡部１３ｄの一面）に配置するのが望ましい。第四の巻線１７の接続例は、後述する図１０に示すように半波整流により自身に半波直流分が循環することにより系外磁束φを強める起磁力となるものである。

太線で図示する外回り磁気回路ＭＣ３は、外回り磁気回路ＭＣの一例である。図８の例では、固定子１２Ｃ→アウタヨークコア１３ｇ→橋渡部１３ｄ→インナヨークコア１３ｈ→固定子１２Ｃ→…のように流れる。

回転電機１０Ｃが電動機の場合には、多相巻線１２ｂに電流を流す。この電流によって、コイルエンド部ＣＥから系外磁束φが生じる。この系外磁束φは、外回り磁気回路ＭＣ３や第四の巻線１７などに作用する。外回り磁気回路ＭＣ３に作用すると、回路を形成する磁束の磁束量が増えるので、動力出力が増加する。すなわち、コイルエンド部ＣＥが起磁力源となる。系外磁束φが第四の巻線１７に作用する場合については後述する（図１０を参照）。回転電機１０Ｃが発電機の場合には、多相巻線１２ｂで生じる起電力が電力出力Ｐｏ１として出力される（図５に示す特性線Ｓ２を参照）。

図９には、アウタヨークコア１３ｇ，固定子鉄心１２ｄ，インナヨークコア１３ｈの構成例を示す。なお、一点鎖線で示す角度θは電気角で３６０度を示し、固定子１２Ｃを構成する多相巻線１２ｂの図示は省略する。

アウタヨークコア１３ｇ（特に内側）には、所定の磁極で磁化された複数の磁石Ｍ２が設けられる。磁石Ｍ１の数は任意に設定してよく、例えば電気角で３６０度ごとに設けられる。周方向に隣り合う磁石Ｍ２の相互間におけるアウタヨークコア１３ｇは、磁石Ｍ２とは反対の極性を帯びるコンシクエント極ＣＰ１（破線で囲む領域部分）になる。コンシクエント極ＣＰ１は、コンシクエント極ＣＰの一例である。

図９の例では、磁石Ｍ２をＮ極で磁化しているので、コンシクエント極ＣＰ１はＳ極になる。図示しないが、磁石Ｍ２をＳ極で磁化する場合には、コンシクエント極ＣＰ１はＮ極になる。アウタヨークコア１３ｇにコンシクエント極ＣＰ１が形成されることにより、交番磁束の流通に対してヒステリシス損失が抑制される。

固定子鉄心１２ｄは、外側に延びる複数のティース１２ｄ１を有し、インナヨークコア１３ｈと対面する部位を凹凸の無い曲面で形成する。インナヨークコア１３ｈは、固定子鉄心１２ｄと対面する部位を凹凸の無い曲面で形成する。周方向に隣り合うティース１２ｄ１の相互間に形成される空間は、スロット１２ｄ２である。スロット１２ｄ２には、図示を省略した多相巻線１２ｂが収容されて巻装される。

本形態の多相巻線１２ｂは、全節巻線からなる三相巻線である。固定子１２Ｃへの巻線実体の配列は、電気角で６０度間隔とするとともに、三相のうち一相を反転して結線する。図９の配列例では、太線矢印で示すように、Ｕ相巻線ＬｕとＶ相巻線Ｌｖを正相で巻装し、Ｗ相巻線Ｌｗを逆相で巻装する。固定子鉄心１２ｄに巻装される多相巻線１２ｂに印加する電圧または多相巻線１２ｂに流す電流は、任意に設定してよいが、電気角で１２０度間隔とするのが望ましい。

図示しないが、Ｗ相巻線Ｌｗを逆相で巻装する形態に代えて、Ｕ相巻線Ｌｕを逆相で巻装してもよく、Ｖ相巻線Ｌｖを逆相で巻装してもよい。逆相で巻装した巻線には当該相の位相角を基準としたとき、１８０度の位相角となる逆相電流を流すものとする。これにより、当該相は正相となる。すなわち巻線は集中配置されるが、生成する磁界は普通の１２０度間隔の三相回転磁界となる。

多相巻線１２ｂの全部を正相（あるいは逆相）で巻装し、それらの巻線それぞれに１２０度間隔の三相電流を通電するようにしてもよい。この場合の三相電流の波形は、矩形波でもよく、正弦波でもよい。また直流成分や歪波などように三相とは異なる成分を含ませてもよい。

図１０には、第四の巻線１７に相当する界磁巻線Ｌｆに関する接続例（回路例）を示す。すなわち、界磁巻線Ｌｆと整流素子Ｄ１とを短絡した閉回路で構成する。界磁巻線Ｌｆで生じる電圧（起電力）は、界磁巻線Ｌｆが有する巻線抵抗や、整流素子Ｄ１による電圧降下によって減少する。したがって、界磁巻線Ｌｆが損傷することは無い。なお二点鎖線で図示するように、界磁巻線Ｌｆの両端（すなわち出力端子Ｔｐ２，Ｔｍ２）から電力出力Ｐｏ２を出力してもよい。この電力出力Ｐｏ２は、整流素子Ｄ１によって半波整流された波形になる。

〔実施の形態４〕
実施の形態４は図１１〜図１３を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１〜３で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１〜３と相違する点を説明する。

図１１に示す回転電機１０Ｄは、回転電機１０の一例であって、上述した回転電機１０Ｂの変形例である。この回転電機１０Ｄは、固定子１２Ｄ、回転子１３Ｄ、軸受１４、回転軸１５、複数の第三の巻線１８ａ，１８ｂなどをハウジング１１Ｂ内に有する。

固定子１２Ｄは、固定子１２の一例である。この固定子１２Ｄは、固定子鉄心１２ｅ（ステータコア）や多相巻線１２ｂなどを有する。

回転子１３Ｄは、回転子１３の一例である。この回転子１３Ｄは、アウタヨークコア１３ｇ，橋渡部１３ｄ，インナヨークコア１３ｊ，ディスク部１３ｆなどを有する。これらの要素は、一体成形してもよく、一以上を個別に成形して固定してもよい。

アウタヨークコア１３ｇとインナヨークコア１３ｊは、図示するように橋渡部１３ｄによって結合され、全体として断面がＵ字形状になる。Ｕ字形状のアウタヨークコア１３ｇ，橋渡部１３ｄ，インナヨークコア１３ｊは、ディスク部１３ｆによって回転軸１５に固定される。アウタヨークコア１３ｇには複数の磁石Ｍ２が設けられ、インナヨークコア１３ｊには複数の磁石Ｍ３が設けられる。

上述した固定子１２Ｄと回転子１３Ｄとの間には、外側ギャップＧｏと内側ギャップＧｉとでそれぞれ空隙が設けられる。外側ギャップＧｏと内側ギャップＧｉの大きさは、外回り磁気回路ＭＣ４が形成できる範囲において、それぞれ任意に設定してよい。

複数の第三の巻線１８ａ，１８ｂは「励磁巻線」に相当し、固定子１２Ｄ（特に多相巻線１２ｂ）と回転子１３Ｄとの間であって、回転子１３Ｄに巻装されて固定される。第三の巻線１８ａ，１８ｂは、図８に示す第四の巻線１７と同様に配置される。系外磁束φの作用を受け易い位置に配置するのが望ましく、特にＵ字形状の底面部位１３ｉに配置するのが望ましい。第三の巻線１８ａ，１８ｂの接続例は後述する（図１３を参照）。

太線で図示する外回り磁気回路ＭＣ４は、外回り磁気回路ＭＣの一例である。図１１の例では、固定子１２Ｄ→アウタヨークコア１３ｇ→橋渡部１３ｄ→インナヨークコア１３ｊ→固定子１２Ｄ→…のように流れる。

回転電機１０Ｄが電動機の場合には、多相巻線１２ｂに電流を流す。この電流によって、コイルエンド部ＣＥから系外磁束φが生じる。この系外磁束φは、外回り磁気回路ＭＣ４や第三の巻線１８ａ，１８ｂなどに作用する。外回り磁気回路ＭＣ４に作用すると、回路を形成する磁束の磁束量が増えるので、動力出力が増加する。すなわち、コイルエンド部ＣＥが起磁力源となる。系外磁束φが第三の巻線１８ａ，１８ｂに作用する場合については後述する（図１３を参照）。回転電機１０Ｄが発電機の場合には、多相巻線１２ｂで生じる起電力が電力出力Ｐｏ１として出力される（図５に示す特性線Ｓ２を参照）。

図１２には、アウタヨークコア１３ｇ，固定子鉄心１２ｅ，インナヨークコア１３ｊの構成例を示す。なお、固定子１２Ｄを構成する多相巻線１２ｂの図示は省略する。

アウタヨークコア１３ｇは、実施の形態３と同様に所定の磁極で磁化された複数の磁石Ｍ２が設けられる。そのため、周方向に隣り合う磁石Ｍ２の相互間にはコンシクエント極ＣＰ１が形成される。インナヨークコア１３ｊ（特に外側）には、所定の磁極で磁化された複数の磁石Ｍ３が設けられる。磁石Ｍ３の数は任意に設定してよく、例えば電気角で３６０度ごとに設けられる。

周方向に隣り合う磁石Ｍ３の相互間におけるインナヨークコア１３ｊは、磁石Ｍ３とは反対の極性を帯びるコンシクエント極ＣＰ２（破線で囲む領域部分）になる。コンシクエント極ＣＰ２は、コンシクエント極ＣＰの一例である。コンシクエント極ＣＰ１，ＣＰ２が形成されることにより、交番磁束の流通に対してヒステリシス損失が抑制される。

固定子鉄心１２ｅは、外側に延びる複数のティース１２ｅ１や、内側に延びる内側ティース１２ｅ３などを有する。周方向に隣り合うティース１２ｅ１，１２ｅ３の相互間に形成される空間は、それぞれスロット１２ｅ２，１２ｅ４である。スロット１２ｅ２，１２ｅ４には、図示を省略した多相巻線１２ｂが収容されて巻装される。

図１３には、複数の第三の巻線１８ａ，１８ｂに関する接続例（回路例）を示す。第三の巻線１８ａは、ブリッジ整流回路の一例であるダイオードブリッジＤＢ４に接続される。具体的には、第三の巻線１８ａの両端は、直列接続されるダイオードの中間点に接続される。このダイオードブリッジＤＢ４の両端には第三の巻線１８ｂが接続される。

図１３の接続例では、第三の巻線１８ａが発電用巻線として機能し、第三の巻線１８ｂが励磁巻線（界磁巻線）として機能する。すなわち、第三の巻線１８ａで生じる起電力を用いて、第三の巻線１８ｂで系外磁束φと同様の磁束を発生させる。外回り磁気回路ＭＣ４の磁束量が増えると、動力出力も増加する。

なお二点鎖線で図示するように、ダイオードブリッジＤＢ４の両端（すなわち出力端子Ｔｐ３，Ｔｍ３）から電力出力Ｐｏ３を出力してもよい。この電力出力Ｐｏ３は、ダイオードブリッジＤＢ４によって全波整流された波形になる。

〔実施の形態５〕
実施の形態５は図１４，図１５を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１〜４で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１〜４と相違する点を説明する。

図１４に示す回転電機１０Ｅは、回転電機１０の一例である。この回転電機１０Ｅは、固定子１２Ａ，回転子１３Ｆ，軸受１４，回転軸１５などをハウジング１１Ｃ内に有する。ハウジング１１Ｃは、ハウジング１１の一例である。このハウジング１１Ｃの形状や材料等は任意に設定してよい。本形態のハウジング１１Ｃは、回転子１３Ｆと内側で対面するインナヨーク１１ｃを有する。インナヨーク１１ｃの構成例については後述する（図１５を参照）。

回転子１３Ｆは、回転子１３の一例である。この回転子１３Ｆは、回転子鉄心１３ｋやディスク部１３ｆなどを有する。回転子鉄心１３ｋとディスク部１３ｆは、一体成形してもよく、一以上を個別に成形して固定してもよい。回転子鉄心１３ｋは、ディスク部１３ｆによって回転軸１５に固定される。

上述した固定子１２Ａと回転子１３Ｆとの間には、外側ギャップＧｏと内側ギャップＧｉとでそれぞれ空隙が設けられる。外側ギャップＧｏと内側ギャップＧｉの大きさは、外回り磁気回路ＭＣ５が形成できる範囲において、それぞれ任意に設定してよい。

太線で図示する外回り磁気回路ＭＣ５は、外回り磁気回路ＭＣの一例である。図１４の例では、固定子１２Ａ→回転子鉄心１３ｋ→インナヨーク１１ｃ→ハウジング１１Ｃ→固定子１２Ａ→…のように流れる。

回転電機１０Ｅが電動機の場合には、多相巻線１２ｂに電流を流す。この電流によって、コイルエンド部ＣＥから系外磁束φが生じる。この系外磁束φは、外回り磁気回路ＭＣ５などに作用する。外回り磁気回路ＭＣ５に作用すると、回路を形成する磁束の磁束量が増えるので、動力出力（出力トルクや第二の電磁回転力ＭＦ２に相当する）が増加する。すなわち、コイルエンド部ＣＥが起磁力源となる。回転電機１０Ｅが発電機の場合には、多相巻線１２ｂで生じる起電力が電力出力Ｐｏ１として出力される（図５に示す特性線Ｓ２を参照）。

図１５には、固定子１２Ａ，回転子１３Ｆ，インナヨーク１１ｃの構成例を示す。固定子１２Ａの固定子鉄心１２ａには、複数のティース１２ａ１と複数のスロット１２ａ２などを有する。なお、スロット１２ａ２に収容されて巻装される多相巻線１２ｂの図示は省略する。

回転子１３Ｆには、周方向に着磁される複数の磁石Ｍ４が設けられる。磁石Ｍ４の数は任意に設定してよく、磁石Ｍ４の固定方法を問わない。周方向に隣り合う磁石Ｍ４は互いに逆向きに着磁され、磁石Ｍ４の相互間における回転子鉄心１３ｋは、コンシクエント極ＣＰ３になる。このコンシクエント極ＣＰ３の極性は、図示するようにＮ極とＳ極が交互にあらわれる。コンシクエント極ＣＰ３は、コンシクエント極ＣＰの一例である。Ｓ極のコンシクエント極ＣＰ３から固定子鉄心１２ａに向かって磁束φｓが流れる。コンシクエント極ＣＰ３がＮ極のときは、固定子鉄心１２ａから磁束（磁束φｓとは逆向きの磁束）が流れる。固定子鉄心１２ａとコンシクエント極ＣＰ３の間で流れる磁束には、磁石Ｍ４の磁束も含まれるので動力出力が向上する。

インナヨーク１１ｃは、回転子１３Ｆと対面する側に突起する複数の凸状部１１ｃ１を有する。複数の凸状部１１ｃ１の数は問わないが、同じ極性（Ｎ極またはＳ極）になるコンシクエント極ＣＰ３の数と合わせるのが望ましい。

インナヨーク１１ｃは、凸状部１１ｃ１がコンシクエント極ＣＰ３に対面するごとに極性が変化する。実線で示すように凸状部１１ｃ１がＮ極のコンシクエント極ＣＰ３に対面するときにはＮ極となり、二点鎖線で示すように凸状部１１ｃ１がＳ極のコンシクエント極ＣＰ３に対面するときにはＳ極となる。凸状部１１ｃ１がＳ極のとき、Ｎ極のコンシクエント極ＣＰ３に向かって磁束φｎが流れる。凸状部１１ｃ１がＮ極のとき、Ｓ極のコンシクエント極ＣＰ３から磁束（磁束φｎとは逆向きの磁束）が流れる。凸状部１１ｃ１とコンシクエント極ＣＰ３の間で流れる磁束には、磁石Ｍ４の磁束も含まれるので動力出力が向上する。

回転子１３Ｆが回転すると、凸状部１１ｃ１はＮ極とＳ極が交互に変わる交流励磁が生じる。よって、多相巻線１２ｂへの通電によってコイルエンド部ＣＥから系外磁束φが発生することを考慮すると、系外磁束φの交番を回転子１３Ｆの回転による磁極交番と同期させるのが望ましい。こうすると、磁界が集中し強化されて高性能（高出力）になる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態１〜５に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

上述した実施の形態１では、多相巻線１２ｂと第二の巻線１６で生じる起電力を合わせて電力出力Ｐｏ１として出力する構成とした（図２〜図４を参照）。この形態に代えて、図１６に示す接続例では、多相巻線１２ｂで生じる起電力を電力出力Ｐｏ１として出力し、第二の巻線１６で生じる起電力を出力端子Ｔｐ４，Ｔｍ４から電力出力Ｐｏ４として出力する構成としてもよい。電力出力Ｐｏ４は全波整流される波形になる。また、図１７に示す接続例では、多相巻線１２ｂで生じる起電力を電力出力Ｐｏ１として出力し、第二の巻線１６で生じる起電力を出力端子Ｔｐ５，Ｔｍ５から電力出力Ｐｏ５として出力する構成としてもよい。電力出力Ｐｏ５は整流されない波形がそのまま出力される。図１６や図１７の接続例で構成することにより、多相巻線１２ｂと第二の巻線１６で個別に電力を出力することができる。

固定子１２と回転子１３の組み合わせとして、実施の形態１では固定子１２Ａと回転子１３Ａを適用し（図１を参照）、実施の形態２では固定子１２Ｂと回転子１３Ｂを適用し（図６を参照）、実施の形態３では固定子１２Ｃと回転子１３Ｃを適用し（図８を参照）、実施の形態４では固定子１２Ｄと回転子１３Ｄを適用し（図１１を参照）、実施の形態５では固定子１２Ａと回転子１３Ｆを適用する構成とした（図１４を参照）。この形態に代えて、外回り磁気回路ＭＣが形成されることを条件として、実施の形態１〜５の組み合わせ以外で固定子１２（１２Ａ〜１２Ｄ）と回転子１３（１３Ａ〜１３Ｆ）を組み合わせる構成としてもよい。組み合わせの相違に過ぎず、系外磁束φを有効利用できるので、実施の形態１〜５と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１では、回転電機１０Ａに第二の巻線１６を備える構成とした（図１〜図４を参照）。この形態に代えて、実施の形態２〜５に示す回転電機１０Ｂ〜１０Ｅに備える構成としてもよい。回転電機１０Ｂ〜１０Ｅについても、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態２〜５では、回転子１３Ｂ〜１３Ｆには単体の磁石Ｍ１〜Ｍ４を備える構成とした（図１，図８，図１１を参照）。この形態に代えて、磁石Ｍ１〜Ｍ４のうちで一以上の磁石を複数の分割磁石で構成してもよい。磁石Ｍ１〜Ｍ４を分割するか否かの相違に過ぎないので、実施の形態２〜５と同様の作用効果を得ることができる。

〔作用効果〕
上述した実施の形態１〜５および他の実施の形態によれば、以下に示す各効果を得ることができる。

（１）回転電機１０（１０Ａ〜１０Ｅ）において、多相巻線１２ｂ（Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ）のうちで固定子鉄心１２ａ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅからはみ出すコイルエンド部ＣＥを囲む外回り磁気回路ＭＣ（ＭＣ１〜ＭＣ５）を有し、外回り磁気回路ＭＣに対して、多相巻線１２ｂのコイルエンド部ＣＥに流す電流に由来する系外磁束φを作用させることで、電力出力Ｐｏ（Ｐｏ１〜Ｐｏ３）または動力出力を増加する構成とした（図１〜図６，図８，図１０，図１１，図１３，図１４を参照）。この構成によれば、コイルエンド部ＣＥも起磁力源となるので、構造的に無駄とされてきたコイルエンド部ＣＥが有効になる。よって、従来のようなスロットのスペースを必要としないので、同じ出力の回転電機１０でも小型化することができる。同じ体格の回転電機１０であれば、電力出力Ｐｏや動力出力などの出力を高めて高性能化することができる。

（２）外回り磁気回路ＭＣのアウタヨークコア１３ｃ，１３ｇは、コイルエンド部ＣＥ（多相巻線１２ｂのはみだし部分）の外側を囲んで固定子鉄心１２ｃ，１２ｄの外側と内側を橋渡しするように設ける構成とした（図６，図８を参照）。この構成によれば、既設部品としてのアウタヨークコア１３ｃ，１３ｇを有効に外回り磁気回路ＭＣに利用できるので、体格がコンパクトになり、かつ、素材コストも最小で済む。

（３）外回り磁気回路ＭＣと固定子鉄心１２ａとの間に第二の巻線１６を配置し、電磁誘導によって第二の巻線１６から電力出力Ｐｏを取り出す構成とした（図１〜図４，図１６，図１７を参照）。この構成によれば、多相巻線１２ｂ以外からの電力出力Ｐｏを取り出せるので、高出力高効率となる。

（４）系外磁束φを、ギャップ（ギャップＧｐ，外側ギャップＧｏ，内側ギャップＧｉ）と異なる部位（ハウジング１１や回転子１３）に供給して、第二の電磁回転力ＭＦ２とする構成とした（図１，図６，図８，図１１，図１４を参照）。この構成によれば、従来では無駄にしていた起磁力源を活かせるので、高性能で高効率となる。

（５）外回り磁気回路ＭＣと固定子鉄心１２ｅとの間には、励磁源が得られる第三の巻線１８ａ，１８ｂを配置し、いずれか一方の第三の巻線１８ｂを励磁巻線とする構成とした（図１１を参照）。この構成によれば、固定子鉄心１２ｅ以外の空間に第三の巻線１８ａ，１８ｂを配置するだけでよいので、簡素な構成で励磁源が得られる。

（６）回転子１３Ｃは、Ｕ字形状の断面で形成され、Ｕ字形状の底面部位１３ｉに設けられる第四の巻線１７を有し、第四の巻線１７は、両端を整流素子Ｄ１で短絡する構成とした（図８，図１０を参照）。この構成によれば、第四の巻線１７はＵ字形状の回転子１３Ｃにおける空間を有効に利用して設けられるので、体格を最小限に抑えられるブラシレスロータを構成できる。

（７）多相巻線１２ｂによる系外磁束φの交番を回転子１３Ｆの回転による磁極交番と同期させて、回転子１３Ｆの磁極の磁界強化をなす構成とした（図１４，図１５を参照）。この構成によれば、磁界が集中し強化されるので、高性能となる。

（８）多相巻線１２ｂは、全節巻線からなる三相巻線であり、固定子１２Ｃへの巻線実体の配列は電気角で６０度間隔とするとともに、三相のうち一相を反転して結線し、三相巻線に印加する電圧または三相巻線に流す電流は、電気角で１２０度間隔とする構成とした（図８，図９を参照）。この構成によれば、内側に在る巻線端（多相巻線１２ｂの端部）が重なりコンパクトとなり、覆い易いという効果がある。

（９）回転子１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ（具体的にはアウタヨークコア１３ｇや回転子鉄心１３ｋ）の磁極は、コンシクエント極ＣＰ（ＣＰ１〜ＣＰ３）を含む構成とした（図９，図１２，図１５を参照）。この構成によれば、交番磁束の流通に対して、交番分をヒステリシス損失が大きい磁石ではなく、アウタヨークコア１３ｇや回転子鉄心１３ｋに通せるため、損失が抑制されるという効果がある。

１０（１０Ａ〜１０Ｅ） 回転電機
１２（１２Ａ〜１２Ｄ） 固定子（ステータ）
１２ａ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ 固定子鉄心（ステータコア）
１２ｂ 多相巻線
１３ 回転子（ロータ）
φ 系外磁束
ＣＥ コイルエンド部
ＣＰ（ＣＰ１〜ＣＰ３） コンシクエント極
Ｇｐ，Ｇｉ，Ｇｏ ギャップ
ＭＣ（ＭＣ１〜ＭＣ５） 外回り磁気回路
Ｐｏ（Ｐｏ１〜Ｐｏ５） 電力出力

Claims (8)

1. 固定子鉄心（１２ａ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）に多相巻線（１２ｂ）が巻装される固定子（１２）と、前記固定子とギャップ（Ｇｐ，Ｇｉ，Ｇｏ）を介して回転自在に設けられる回転子（１３）とを有する回転電機（１０）において、
   前記多相巻線のうちで前記固定子鉄心からはみ出すコイルエンド部を囲む外回り磁気回路（ＭＣ）を有し、
   前記外回り磁気回路に対して、前記多相巻線を通じて前記コイルエンド部に流す電流に由来する系外磁束（φ）を作用させることで、出力を増加し、
   前記外回り磁気回路と前記固定子鉄心との間に第二の巻線（１６）を配置し、
   電磁誘導によって前記第二の巻線から電力出力を取り出すことを特徴とする回転電機。
2. 前記回転子は、前記コイルエンド部を囲むように設けられた回転子鉄心を有し、
   前記回転子鉄心は、前記固定子鉄心に対して径方向外側に配置されたアウタヨークコアと、前記固定子鉄心に対して径方向内側に配置されたインナヨークコアと、前記固定子鉄心に対して軸方向外側において前記アウタヨークコアと前記インナヨークコアとを結合する橋渡部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記系外磁束を、前記ギャップと異なる部位（１１，１３）に供給して、第二の電磁回転力（ＭＦ２）とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記外回り磁気回路と前記固定子鉄心との間には、励磁源が得られる第三の巻線（１８ａ，１８ｂ）を配置し、
   前記第三の巻線を励磁巻線とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記回転子は、断面Ｕ字形状に形成された底面部位（１３ｉ）に設けられる第四の巻線（１７）を有し、
   前記第四の巻線は、両端を整流素子（Ｄ１）で短絡することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 前記多相巻線による前記系外磁束の交番を前記回転子の回転による磁極交番と同期させて、前記回転子の磁極の磁界強化をなすことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機。
7. 前記多相巻線は、全節巻線からなる三相巻線であり、前記固定子への巻線実体の配列は電気角で６０度間隔とするとともに、三相のうち一相を反転して結線し、
   前記三相巻線に印加する電圧または前記三相巻線に流す電流は、電気角で１２０度間隔とすることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電機。
8. 前記回転子の磁極は、コンシクエント極（ＣＰ）を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の回転電機。

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